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半导体与电子制造业面对疫情与中美贸易战冲击，透过数位转型提升韧性，採用工业物联网平台与微型控制元件等方案，强化设备的感知与联网能力，再以完整数据为基础解决产线瓶颈，朝向智慧工厂的蓝图迈进。
工业自动化、数位化的议题延烧已久，近年终端产品的晶片需求量大幅成长，同时供应链受到疫情与中美贸易战的衝击，包含晶片短缺、关键零组件供货延迟、工厂缺工或因封城停工，造成手机与车用等晶片严重缺货，终端产品减产。供应链波动带来的挑战与机会，催化半导体与电子製造业厂商加快智慧化与自动化的脚步，试图透过智慧化工具提升产业韧性。
传统电子厂由提升设备的感知与通讯能力著手，收集完整的数据，用以解决生产问题并进一步应用建立人工智慧(AI)模型，实现远端控制、即时修正错误等功能，解决原先高度仰赖人力的困境。而半导体製造业的製程已高度自动化，近期则将周边支援系统纳入数位化范围，期望藉此控管成本、建立完整的碳足迹追踪机制，以符合国际品牌厂的绿能标准。洛克威尔与恩智浦半导体(NXP)等厂商，便透过工业物联网平台与微型控制元件等形式，协助业界升级数位化程度，强化工厂面对外部衝击的应变能力。
晶片缺货2023年趋缓
TrendForce半导体研究处分析师乔安指出，2020~2021年的晶片缺货潮主要来自于市场上对晶片的蓬勃需求，但是晶圆厂的产能受限，因此供需失衡。2019下半年5G手机带动大量的晶片需求，却在2020年遭遇疫情跟地缘政治的影响，引发晶片缺货的现况，使得晶圆厂持续扩产，以求填补晶片缺口。但是晶圆代工厂扩产成熟製程，比较不具备成本效益，因此成熟製程扩产计画受限，直到明确看到市场需求成长，晶圆代工厂才开始规画扩产，因此可以看到2021扩产的计画集中在中国的华虹跟合肥晶合的90nm跟55nm製程，但是该製程的产品应用范围较少，因此对晶片缺货帮助有限。
晶片缺货的缓解，仰赖台积电、联电的成熟製程扩产计画，2022年的扩厂计画集中在台积电跟联电的40nm及28nm製程，对缓解晶片缺货潮较为有效，不过产线实际运作需要等到在2022下半年到年底，真正产出晶圆须等到2023年，所以2022下半年可能会看到晶片缺货潮缓解的迹象，但是2023年才能实际缓解缺货潮。
从转型方案供应商的角度分析，洛克威尔中国台湾区半导体/食品饮料/生技工业自动化业务部经理李懿庭(图1)认为，2021年全球遇到的供应链挑战，包括晶片及被动元件缺货、货运不正常等，预估到2022上半年仍会如此。因为虽然中国台湾地区疫情趋缓，其他国家的防疫措施也逐渐解封，但是业界仍处于恐慌抢货的阶段，所以晶片供货需要等到2022下半年，才会逐步回归秩序。当晶片缺货潮在2022下半年开始缓解，市场会出现新的供需平衡，建立新的供应常态。
图1 洛克威尔中国台湾区半导体/食品饮料/生技工业自动化业务部经理李懿庭
数位化以数据为基础
当供应链受到衝击，半导体与电子製造业共同面对人力及供货的挑战，亟需透过提升数位化程度解决。经历疫情下，工厂被迫停工与缺工的窘境，半导体/电子製造业意识到以人力作业为主的产线风险较高，需要透过机器人与人力协同作业、AR/远端控制，尽可能减少现场人力，并且须在人力减少的状况下，还是要确保能解决产线问题，维持工厂基本的运作。而缺料则是供应链多次遇到的挑战，若能透过物联网平台整合供应商与企业生态系，有望缓解缺料的衝击。
此外，为了提升製造业面对人力与物料衝击的韧性，数位转型是有效的解决方案，然而实际导入仍须克服数据收集及OT资安的议题。部分中国台湾地区的电子製造业工厂完工已久，设备联网及感测的功能不一，因此资料不易收集，难以透过数据分析升级既有的产线。而半导体製造业虽然产线的自动化设备完善，製程端的数据完整性高，且通讯功能成熟，但是周边的水气、电力等支援系统仍使用传统设备，在追踪碳足迹及强化成本管理的需求下，半导体製造业需要为支援系统建立完整的通讯架构。
面对尚未建立完整数据的情况，洛克威尔成立智慧製造创造小组，透过概念验证(POC)协助电子製造业聚焦，找到数位转型初期可切入的角度，接著快速建立小型系统并上线测试，藉由来回快速测试与修正，确保小系统符合使用需求，最后将专案扩大并应用在整体的产线上。此外，工业物联网平台FactoryTalk InnovationSuite可以跨控制系统与资料库收集数据，整合不同的数据来源，为数位转型建立稳固基础。
微型控制元件实现即时修正
NXP大中华区市场行销经理李宜儒(图2)表示，依照生产流程自动化的进程，从纯人力进展到机器辅助生产，机器仍须由人工设定并确认成品，但是随著大量生产的需求不断成长，人工逐一检视生产品质、确认产线问题的情况可能越来越无法符合实际效益，促使工厂採用产线自动化确保生产品质。例如大量生产手机关键零组件的产线，如果由人力检查生产品质，人力成本高昂，即便抽检也会因为生产数量增加，而提高检验成本，因此若能在生产过程中自动把关品质，在产线上发现异常便自动修正，不但能提高产线效率，也能确保生产品质。
图2 NXP大中华区市场行销经理李宜儒
在检查产品的数量增加且期望控制成本的需求之下，新一代产线必须导入更多技术，例如透过各类感测元件、影像辨识设备等，协助监测生产流程是否发生异常、产品的生产结果是否正常，而这些感测元件、识别设备所用的控制元件也因此更加重要，必须满足前端撷取数据传递、演算分析，并且将结果传递回产线前端的需求，一旦系统发现产线异常即可自动排除，藉此确保产线自动化流畅。
随著影像辨识、人工智慧判断异常等新技术导入，微型控制元件仍成为产线自动化发展重要关键。而面对多元的产线需求，微型控制元件客製化日趋複杂，例如不同产线电路、控制系统均有差异，同时网路连接、安全控制等设计也有所不同，加上产线自动化与精准的原物料管理密不可分，因此如何协助大量的自动化生产降低成本，成为微型控制元件客製设计的需求之一。
其中NXP应用在数位转型相关的微型控制元件，包含MPU与MCU的产品组合，例如i.MX8及i.MX RT系列以Arm架构处理器设计更低能耗，以及良好的数据连接能力，在自动化对数据深度感知、製作流程自动优化判断，或是精准判断执行能力，藉此免除人工逐一设定控制，以及排除问题等花费时间与人力成本，满足大量製造的需求。
数位化朝向AI前进
当工厂设备的感知与通讯能力逐渐成熟，搭配微型控制元件串连数据，且即时优化产线上的生产流程，半导体与电子製造业数位化的下一步，是实现全方位导入AI。立基于完整的数据库，製造业便能训练AI模型，并将模型用于提升工厂管理效益，增加生产效率与产品品质，并且由AI取代部分的人力工作，期望实现智慧工厂的蓝图。李懿庭指出，虽然製造业智慧化仍需要长时间的累积与试错，但是数位转型方案供应商同样看好未来AI应用在智慧製造的潜能，如洛克威尔已经在侧重数据收集的前提下，将AI应用所需的演算法等基本工具纳入物联网平台，可望在协助半导体与电子製造业收集数据后，进一步利用数据为产线升级。
产线升级应对外部衝击
整体而言，疫情与中美贸易战衝击电子/半导体製造业，导致缺料、停工与缺工等问题，混乱的供货情况需要等到2022下半年至2023年，随著台积电与联电扩充的产能启动，以及厂商不再恐慌囤货，缺货潮才能明显缓解。虽然疫情逐渐缓解，供应链仍因恐慌囤货，导致晶片供不应求。同时台积电与联电已有针对成熟製程的扩产计画，但是新增晶圆产出须待2023年才能实际贡献产能，因此预期2023年供应链将会恢复稳定，并达到新的供需平衡。
而在供应链回归稳定前，面对严重的外部因素衝击，业界对数位转型的需求提升，期望藉此增加工厂营运的韧性，具备抵抗风险的能力。导入数位化方案并减少对人力的依赖，都有助于提升工厂的生产效率与稳定性。
其中洛克威尔以工业物联网平台为基础，为电子与半导体製造业跨平台、控制系统大量收集生产数据，再规画以完整的数据为基础，分析并解决现有的生产瓶颈。NXP则由微型控制元件切入，试图满足多元产业所需的客製化方案，以低功耗架构与通讯能力，优化生产流程及排除产线问题。
